高空平臺(tái)站空地鏈路信道建模與QualNet仿真*

鄭 藝，王玉文，鄧 杰，尚小富

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731)

1 引言

近年來(lái)，高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)的研究吸引了人們?cè)絹?lái)越多的興趣與注意，由于采用無(wú)線通信方式，空地鏈路通信過(guò)程中的信號(hào)在空間中傳播就不可避免地受到自然環(huán)境的影響，例如降雨、云霧、大氣吸收和多徑效應(yīng)等。這些效應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，與場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的。因而準(zhǔn)確揭示和模擬它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響成為了目前的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。已有的高空平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)仿真中，對(duì)信道模型方面考慮十分理想，影響了仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)空地鏈路信道建模仿真，以表現(xiàn)其對(duì)高空平臺(tái)空地鏈路性能的影響，便成為了目前研究的現(xiàn)實(shí)需求。

高空平臺(tái)站信道建模仿真方面的研究已經(jīng)開(kāi)展了一段時(shí)間:文獻(xiàn)［1］研究了高空平臺(tái)站通信的小尺度衰落模型;文獻(xiàn)［2］詳細(xì)研究了多天線信道模型;文獻(xiàn)［3］總結(jié)并且分析了應(yīng)用于高空平臺(tái)站通信的信道模型，揭示了各個(gè)模型的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì);施春強(qiáng)［4］等人從多徑衰落和降雨衰減兩個(gè)方面綜合考慮，建立了一種信道統(tǒng)計(jì)模型。

上述文獻(xiàn)的研究者一般通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬高空平臺(tái)通信信道，并采用Matlab仿真來(lái)進(jìn)一步研究空地鏈路信道的各種特性。這種傳統(tǒng)方法在對(duì)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真的信道問(wèn)題中并不適用。另外，目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真器，如OPNET、QualNet和NS－2，只是提供了一些簡(jiǎn)單的傳播模型，并不能直接用于高空平臺(tái)站空地鏈路信道的建模仿真中。

本文將對(duì)高空平臺(tái)站通信中的空地鏈路信道進(jìn)行建模仿真，其中主要研究雨衰、云衰、大氣吸收衰減等路徑損耗和由于多徑效應(yīng)引起的小尺度衰落。以QualNet為平臺(tái)并使用C語(yǔ)言編程，建立適用于高空平臺(tái)站的空地鏈路信道模型，并搭建了基于QualNet的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

2 空地鏈路信道建模

2.1 空地鏈路路徑損耗模型

路徑損耗，又稱(chēng)為大尺度衰落。高空平臺(tái)站空地鏈路的路徑損耗的影響因素主要有自由空間損耗、雨衰、云衰、大氣吸收衰減。目前，針對(duì)上述的衰減存在一些模型，但工程中應(yīng)用最廣泛的是ITU－R模型，因此本文在QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器中主要對(duì)該系列模型進(jìn)行研究。

2.1.1 雨衰模型

電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生的衰減稱(chēng)為雨衰，它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強(qiáng)度、雨區(qū)范圍、信號(hào)頻率、極化方式等有關(guān)。對(duì)于10 GHz以上的頻段，雨衰是影響通信鏈路質(zhì)量的一個(gè)主要因素。目前對(duì)雨衰的研究比較深入，建立了許多模型，主要有 ITU－R 模型［5－8］、SAM 模型［9］、DAH 模型［10］等。

ITU－R雨衰模型預(yù)計(jì)超過(guò)年均時(shí)間0.01%的衰減 A0.01(dB)，可用式(1)計(jì)算:

式中，rR為0.01%時(shí)間內(nèi)的特定衰減(dB/km)，LE為有效路徑長(zhǎng)度(km)。

對(duì)于預(yù)測(cè)衰減超過(guò)年均為p(0.001% ～10%)的情形是通過(guò)式(2)得到的。

式中，若p≥1%，則β=0;若p＜1%，則β可以通過(guò)式(3)計(jì)算得到:

2.1.2 云衰減模型

云通常是由小水滴組成，這些小水滴的直徑一般小于0.01 cm，它們對(duì)電波的衰減主要是由吸收引起的。云衰減的大小與沿著傳播路徑的液體水的含量及溫度有關(guān)。

為了獲得給定概率的云衰減，液態(tài)水的總含量L(kg/m2)或者給定地點(diǎn)的降水量必須事先得到。ITU－R建議中計(jì)算空地鏈路中的云衰減預(yù)測(cè)模型［11］的損耗值 Ac(dB)表達(dá)式為

式中，θ是仰角，Kl為比衰減系數(shù)，Kl可以由式(5)計(jì)算得到:

其中，f為頻率(GHz)。

2.1.3 大氣吸收衰減模型

大氣吸收衰減完全是由于大氣吸收引起的，而該衰減主要取決于頻率、仰角、海拔高度和水蒸氣的密度(絕對(duì)濕度)。當(dāng)頻率低于10 GHz，該衰減可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)頻率高于10 GHz時(shí)，其衰減隨著頻率的增加而增加，特別是對(duì)于低仰角的情況尤其明顯。

ITU－R計(jì)算大氣吸收衰減AG(dB)的公式［12］為

式中，h0為干燥空氣的等效高度(km)，hw為水蒸氣的等效高度(km)，r0為干燥空氣衰減系數(shù)(dB/km)，rw為水蒸氣衰減系數(shù)(dB/km)。

2.1.4 綜合路徑損耗模型

綜合路徑損耗是綜合考慮了雨衰、云衰、大氣吸收衰減等因素的影響。對(duì)于頻率在18 GHz以上或者低仰角情況下的通信，更加需要綜合考慮大氣效應(yīng)的總體衰減[5]。計(jì)算給定概率的總體衰減AT(p)的一般方法如下:

其中，AG(p)為大氣吸收衰減(dB)，AR(p)為雨衰(dB)，AC(p)為云衰(dB)，AS(p)為對(duì)流層閃爍損耗(dB)。本文忽略對(duì)流層閃爍損耗對(duì)通信的影響，所以總體衰減公式又可以簡(jiǎn)化為

其中，當(dāng) p＜1.0%時(shí)，那么 AC(p)=AC(1%)，AG(p)=AG(1%)?？盏劓溌沸诺赖木C合路徑損耗AL(p)可以最終表示為

其中，AF為自由空間損耗(dB)。

2.2 空地鏈路小尺度衰落建模

接收機(jī)收到的信號(hào)是發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接收機(jī)的各個(gè)信號(hào)的總和，由于接收機(jī)與發(fā)射機(jī)在短時(shí)間或者近距離內(nèi)產(chǎn)生很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得各個(gè)信號(hào)相互干涉，而導(dǎo)致信號(hào)幅度和相位較大變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做小尺度衰落。小尺度衰落一般包含有兩種衰落模式:如果當(dāng)前存在一個(gè)主要的平穩(wěn)信號(hào)部分，例如視距(LOS)傳播路徑，那么小尺度衰落可以用Ricean模型來(lái)描述;當(dāng)Ricean模型中的主導(dǎo)信號(hào)變?nèi)?，?fù)合信號(hào)類(lèi)似于噪聲信號(hào)時(shí)，信號(hào)的包絡(luò)線為Rayleigh分布，那么衰落模型稱(chēng)作Rayleigh模型。

對(duì)高空平臺(tái)站與地面站通信的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，一般存在LOS路徑，因此本文主要對(duì)Ricean衰落[13]進(jìn)行建模仿真。當(dāng)為Ricean衰落時(shí)，在第i時(shí)刻衰落幅度ri表示為

其中，A為直射波信號(hào)的幅度;xi、yi為具有零均值的高斯隨機(jī)變量，方差為。衰落因子K由下式確定:

Ricean分布的衰落密度函數(shù)可以表示為

通過(guò)考慮非相干的Ricean分布衰落序列的產(chǎn)生方法，Ricean分布的均方值為2(K+1)，其中為式(10)中的高斯過(guò)程的方差。由此，式(10)可以改寫(xiě)為如下形式:

其中，xi、yi為具有零均值的高斯隨機(jī)變量，方差為。由式(13)得到衰落分布包絡(luò)，將ri轉(zhuǎn)化為ri_dB(dB)，那么式(13)可以轉(zhuǎn)化為式(14):

3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)平臺(tái)

硬件在環(huán)仿真又稱(chēng)為半實(shí)物仿真，是一種在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型的仿真。半實(shí)物仿真接口IP Network Emulator(IPNE)允許QualNet仿真系統(tǒng)直接加載實(shí)物，準(zhǔn)確方便地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口與仿真器中模擬節(jié)點(diǎn)接口之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

在鏈路建模仿真中，可以引入半實(shí)物仿真技術(shù)，將實(shí)物、數(shù)學(xué)模型和物理模型結(jié)合起來(lái)組成復(fù)雜的鏈路半實(shí)物仿真系統(tǒng)[14]，以此提高仿真精度，降低研發(fā)成本?；赒ualNet的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于QualNet的半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of HITL simulation based on QualNet

仿真環(huán)境由3個(gè)通過(guò)以太網(wǎng)連接在一起的外接設(shè)備組成，其中QualNet主機(jī)運(yùn)行QualNet仿真軟件，構(gòu)造虛擬網(wǎng)，另外兩個(gè)外接設(shè)備分別作為與虛擬網(wǎng)絡(luò)中的虛擬節(jié)點(diǎn)S、虛擬節(jié)點(diǎn)D相互映射的實(shí)際設(shè)備。實(shí)際節(jié)點(diǎn)接口與虛擬節(jié)點(diǎn)接口的映射是通過(guò)QualNet中IPNE模塊實(shí)現(xiàn)的。

4 空地鏈路信道仿真

4.1 基于QualNet的信道模型仿真設(shè)計(jì)

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，電波傳播對(duì)通信鏈路甚至網(wǎng)絡(luò)都有一定的影響，但網(wǎng)絡(luò)仿真器中所具有的簡(jiǎn)易模型又不能對(duì)高空平臺(tái)空地鏈路信道進(jìn)行準(zhǔn)確地建模。QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器應(yīng)用廣泛，有標(biāo)準(zhǔn)的五層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文使用該軟件作為仿真工具。通過(guò)修改傳播模型模塊，建立了比已有模型更細(xì)致的空地鏈路信道模型，其信道模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 空地鏈路信道模型架構(gòu)Fig.2 The architecture of the air－ground link channel model

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及場(chǎng)景配置

仿真系統(tǒng)中，在虛擬無(wú)線鏈路上視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸是將真實(shí)數(shù)據(jù)注入虛擬無(wú)線通信鏈路，這樣可以增加仿真的可信性。由于模擬高空平臺(tái)站的仿真器是視頻流實(shí)時(shí)傳輸?shù)钠脚_(tái)，將其作為視頻流的產(chǎn)生器;模擬地面站的仿真器可以從QualNet接收實(shí)時(shí)的視頻流數(shù)據(jù)，并且顯示出來(lái)。上述兩個(gè)仿真器和QualNet仿真主機(jī)通過(guò)同一個(gè)交換機(jī)的不同端口相連接。實(shí)際節(jié)點(diǎn)的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，將QualNet仿真主機(jī)的IP地址設(shè)置為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)及其配置如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)在環(huán)仿真架構(gòu)Fig.3 Hardware in the loop simulation architecture

QualNet的仿真場(chǎng)景中，有一個(gè)作為地面基站的固定節(jié)點(diǎn)，位于(N20°，E110°)，一個(gè)作為高空平臺(tái)站的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從固定節(jié)點(diǎn)正上方以200 km/h的速度向東飛行，飛行高度為海拔30 km，高空平臺(tái)站向地面基站每秒鐘發(fā)送4個(gè)512 B的數(shù)據(jù)包，鏈路帶寬為2 Mb/s，仿真時(shí)長(zhǎng)30 min。場(chǎng)景配置如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the scenario

物理層涉及的部分參數(shù)如表1所示。

表1 物理層主要參數(shù)Table1 The main parameters of the physical layer

該仿真場(chǎng)景所處地域與綜合路徑損耗有關(guān)的部分氣象信息如表2所示。

表2 場(chǎng)景部分氣象參數(shù)Table2 Meteorological parameters

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 綜合路徑損耗模型仿真

在仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，空地鏈路通信頻率分別設(shè)置為 10 GHz、15 GHz、20 GHz、25 GHz，而其他場(chǎng)景參數(shù)保持不變，進(jìn)行場(chǎng)景仿真，獲得超過(guò)年均時(shí)間0.01%的降雨衰減、0.1%的云衰減和大氣吸收衰減的仿真結(jié)果，分別如圖5～7所示，可見(jiàn)雨衰、云衰與大氣吸收衰減都隨著鏈路通信頻率的增大而增大。在3種衰減中，雨衰是影響空地鏈路通信質(zhì)量的最主要因素，而云衰與大氣吸收衰減都低于雨衰對(duì)鏈路的影響;而后兩者衰減模型的研究對(duì)于提高建模仿真的準(zhǔn)確度是很必要的。

圖5 超過(guò)年均時(shí)間0.01%的雨衰值Fig.5 Rain attenuation exceeding 0.01%of an average year

圖6 超過(guò)年均時(shí)間0.1%的云衰值Fig.6 Cloud attenuation exceeding 0.1%of an average year

圖7 大氣吸收衰減值Fig.7 Gaseous absorption attenuation

將鏈路通信頻率設(shè)定為20 GHz，分別仿真得到不同時(shí)間百分比的雨衰，如圖8所示。由圖可以得出，在超過(guò)年均時(shí)間0.1%和0.01%的雨衰較大，而超過(guò)年均時(shí)間1%和10%的雨衰都維持在很低的水平，這表明在大部分時(shí)間中，雨衰對(duì)鏈路通信影響甚微。但是當(dāng)降雨量增大時(shí)，極大提高了降雨衰減，嚴(yán)重危害鏈路的正常通信。在通信鏈路建立時(shí)，要考慮鏈路冗余，以盡量避免因降雨而造成鏈路通信的中斷，因此，準(zhǔn)確的雨衰模型對(duì)高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)的研究設(shè)計(jì)至關(guān)重要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖8 超過(guò)年均時(shí)間0.01%、0.1%、1.0%和10%的雨衰值Fig.8 Rain attenuation exceeding 0.01%，0.1%，1.0%and 10%of an average year

設(shè)置空地鏈路的頻率為20 GHz，時(shí)間百分比取0.1%，傳播模型分別設(shè)置為自由空間損耗模型和綜合路徑損耗模型，分別仿真得到兩場(chǎng)景下的接收端信號(hào)功率變化情況，如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)降雨量達(dá)到年平均時(shí)間的0.1%時(shí)，大氣效應(yīng)對(duì)空地鏈路通信質(zhì)量有明顯的影響。

圖9 無(wú)小尺度衰落情況下接收信號(hào)功率圖Fig.9 Receiving signal power without Ricean fading

4.3.2 小尺度衰落模型仿真

在仿真場(chǎng)景中，由于忽略了地形因素，高空平臺(tái)站與地面基站之間一直存在可視路徑，故Ricean衰落模型適用于描述該場(chǎng)景下的小尺度衰落。在下面的仿真實(shí)驗(yàn)中，通信頻率為20 GHz。

對(duì)于高空平臺(tái)站與地面基站通信鏈路的具體場(chǎng)景，一般設(shè)置K factor為10 dB，得到由小尺度衰落引起的幅值變化情況，如圖10所示。

圖10 小尺度衰落幅值Fig.10 Ricean fading amplitude

在仿真過(guò)程中，將小尺度衰落與綜合路徑損耗統(tǒng)一計(jì)算，得到了地面基站接收到的信號(hào)功率，如圖11所示。

圖11 有小尺度衰落情況下接收信號(hào)功率圖Fig.11 Receiving signal power with Ricean fading

4.3.3 綜合信道模型通信仿真

在仿真實(shí)驗(yàn)中，通信頻率設(shè)置為20 GHz，年平均時(shí)間百分比取0.1%，自由空間損耗模型、無(wú)Ricean衰落的綜合損耗模型，以及有Ricean衰落的綜合損耗模型分別作為仿真實(shí)驗(yàn)的傳播模型。通過(guò)仿真，分別獲得各自的數(shù)據(jù)包投遞率，并比較空地鏈路性能，包投遞率如圖12所示。

圖12 不同信道模型條件下的包投遞率Fig.12 Packet delivery rate of different channel model

圖12 中，當(dāng)傳播模型為自由空間損耗模型時(shí)，包投遞率為99.98%，將近達(dá)到百分之百;當(dāng)傳播模型為無(wú)Ricean衰落的綜合損耗模型時(shí)，包投遞率為94.027%，低于自由空間損耗模型;當(dāng)傳播模型為有Ricean衰落的綜合損耗模型時(shí)，包投遞率下降到88.411%，為三者中最低。

在半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中，分別使用自由空間損耗模型、無(wú)Ricean衰落的綜合損耗模型以及有Ricean衰落的綜合損耗模型作為仿真實(shí)驗(yàn)的傳播模型，在視頻接收節(jié)點(diǎn)的顯示器上，獲取了圖13所示的3幅圖像，可清晰地看出空地鏈路通信質(zhì)量的差異:自由空間損耗模型下的鏈路通信質(zhì)量最好，而有Ricean衰落的綜合損耗模型下的鏈路通信質(zhì)量最差，同時(shí)也更接近真實(shí)場(chǎng)景。

圖13 接收端顯示器視頻截圖Fig.13 The video screenshot of the receiving end

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析降雨、云霧、大氣吸收等大氣效應(yīng)引起的衰減以及多徑效應(yīng)引起的衰落，在QualNet仿真器中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了空地鏈路信道建模仿真并搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái)，該仿真相較于在Matlab軟件中進(jìn)行的傳統(tǒng)信道仿真來(lái)說(shuō)，可以更廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)的研究中，為分析高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋和系統(tǒng)性能優(yōu)化等提供了現(xiàn)實(shí)方法和研究平臺(tái)。下一步可通過(guò)使用QualNet與Matlab聯(lián)合仿真更加細(xì)化信道建模，相信可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的仿真分析。

[1]Dovis F，F(xiàn)antini R，Mondin M，et al.Small－scale fading for high－altitude platform(HAP)propagation channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communica-tions，2002，20(3):641－647.

[2]Falletti E，Sellone F，Spillard C，et al.A Transmit and Receive Multi－Antenna Channel Model and Simulator for Communications from High Altitude Platforms[J].International Journal of Wireless Information Networks，2006，13(1):59－75.

[3]Yang Yong，Zong Ru，Gao Xinbo，et al.Channel modeling for High－Altitude platform:A review[C]//Proceedings of 2010 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems.Chengdu:IEEE，2010:1－4.

[4]施春強(qiáng)，郭道省.一種新的臨近空間通信信道模型及其仿真分析[J].電訊技術(shù)，2012，52(5):741－747.SHI Chun－qiang，GUO Dao－xing.A Novel Near Space Communication Channel Model and its Simulation Analysis[J].Telecommunication Engineering，2012，52(5):741－747.(in Chinese)

[5]Recommendation ITU－R P.618－10，Propagation data and prediction methods required for the design of Earthspace Telecommunication system[S].

[6]Recommendation ITU－R P.838－3，Specific attenuation model for rain for use in prediction methods[S].

[7]Recommendation ITU－R P.839－3，Rain height model for prediction methods[S].

[8]Recommendation ITU－R P.837－6，Characteristics of precipitation for propagation modeling[S].

[9]Stutzman W L，Dishman W K.A simple model for the estimation of rain induced attenuation along earth space paths at millimeter wavelengths[J].Radio Science，1982，17(6):1465－1476.

[10]Dissanayake A，Allnut J，Haidara F.A Prediction Model that Combines Rain Attenuation and other Propagation Impairments Along Earth－Satellite Paths[J].IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1997，45(10):1546 －1558.

[11]Recommendation ITU－R P.840－5，Attenuation due to clouds and fog[S].

[12]Recommendation ITU－R P.676－9，Attenuation by atmospheric gases[S].

[13]Punnoose R J，Nikitin P V，Stancil D D.Efficient Simulation of Ricean Fading within a Packet Simulator[C]//Proceedings of 2000 IEEE Vehicular Technology Conference.Boston，USA:IEEE，2000:764－767.

[14]賴(lài)安琪.基于QualNet的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈半實(shí)物仿真[J].電訊技術(shù)，2009，49(5):74－77.LAI An－qi.Hardware－in－the－Loop Simulation of Tactical Data Link(TDL)based on QualNet[J].Telecommunication Engineering，2009，49(5):74－77.(in Chinese)